BR102012033438A2

BR102012033438A2 - SLIDING MEMBER FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Info

Publication number: BR102012033438A2
Application number: BR102012033438A
Authority: BR
Inventors: Juliano Avelar Araujo
Original assignee: Mahle Metal Leve Sa; Mahle Int Gmbh
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-08-12

Abstract

MEMBRO DESLIZANTE PARA UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA. Descreve-se um membro deslizante de um motor a combustão interna - um anel de pistão (3), uma camisa de pistoa (1) ou uma bronzina (16) - que é revestido externamente por um recobrimento superficial (5). Dito recobrimento superficial (5) compreende uma pluralidade de subcamadas (11), (12) que são sobrepostas e intercaladas, definindo cada qual um propriedade física, sendo a primeira subcamada (1) a mais resiliente e a segunda subcamada (12) a mais dura e resistente ao desgaste.SLIDING MEMBER FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE. A sliding member of an internal combustion engine is described - a piston ring (3), a piston jacket (1) or a bearing (16) - which is externally covered by a superficial covering (5). Said surface covering (5) comprises a plurality of sublayers (11), (12) which are superimposed and interspersed, each defining a physical property, the first sublayer (1) being the most resilient and the second sublayer (12) the most hard and wear resistant.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MEMBRO DESLIZANTE PARA UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA".Patent Descriptive Report for "SLIDING MEMBER FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE".

A presente invenção refere-se a um membro deslizante dotado de uma estrutura metalográfica superficial que Ihe atribui maior longevidade e eficiência.The present invention relates to a sliding member having a surface metallographic structure which gives it greater longevity and efficiency.

Descrição do estado da técnicaDescription of the prior art

Em um motor a combustão interna (seja ele do tipo ciclo Diesel ou ciclo Otto), o anel de pistão 3 é a peça que cumpre a função de vedar o espaço entre a camisa 1 e o êmbolo do pistão 2, isolando a câmara de combustão 15 dos demais componentes internos do motor.In an internal combustion engine (be it Diesel cycle or Otto cycle type), piston ring 3 is the part that fulfills the function of sealing the space between sleeve 1 and piston piston 2 by isolating the combustion chamber 15 of the other internal engine components.

O anel de pistão 3 se dispõe radialmente à estrutura do êmboloPiston ring 3 extends radially to the piston frame

2, impedindo que os gases da combustão escapem para fora da câmara de combustão 15 em direção ao cárter e evitando que o óleo do motor penetre a câmara de combustão 15 em um caminho inverso.2, preventing combustion gases from escaping from combustion chamber 15 towards the crankcase and preventing engine oil from penetrating combustion chamber 15 in an opposite path.

Pode haver mais de um anel de pistão 3 circundando um únicoThere may be more than one piston ring 3 surrounding a single

embolo, sendo bastante comum o uso de dois ou preferencialmente três anéis 3 paralelamente dispostos em torno do êmbolo 2. Na figura 1 é possível perceber um anel de compressão 3’ um anel de segundo canalete 3” e um anel raspador de óleo 3”’. Os dois primeiros anéis 3’, 3” cumprem a função 20 de vedar a câmara de combustão 15; já o anel raspador de óleo 3”’ cumpre a função de auxiliar no funcionamento dos dois primeiros anéis 3’, 3”, provendo um recobrimento de óleo suficientemente espessa para o deslocamento do anel de compressão 3’ e do anel de segundo canalete 3”.It is quite common to use two or preferably three rings 3 in parallel arranged around the piston 2. In Figure 1 it is possible to see a compression ring 3 ', a second channel ring 3 ”and an oil scraper ring 3”' . The first two rings 3 ', 3' fulfill the function 20 of sealing the combustion chamber 15; The oil scraper ring 3 '' has the function of assisting in the operation of the first two rings 3 ', 3', providing a sufficiently thick oil coating to displace the compression ring 3 'and the second channel ring 3'. .

Para cumprir com eficiência este papel de vedação, os anéis de pistão 3 (sobretudo os primeiros anéis 3’, 3”) e a camisa 1 devem revelar um acabamento superficial fino, com um baixo grau de rugosidade em sua superfície de contato.To effectively fulfill this sealing role, piston rings 3 (especially the first rings 3 ', 3 ”) and sleeve 1 should exhibit a thin surface finish with a low degree of roughness on their contact surface.

Não obstante, as superfícies de contato destas estruturas devem ser constituídas ou revestidas de um material que apresenta boa resistência ao desgaste.However, the contact surfaces of these structures must be made of or coated with a material which has good wear resistance.

Para criar esta superfície resistente ao desgaste, o estado da técnica faz uso de diversas técnicas de endurecimento superficial tais como nitretação ou aplicação de um revestimento com propriedades de dureza e tenacidade desejadas.To create this wear resistant surface, the state of the art makes use of various surface hardening techniques such as nitriding or applying a coating with desired hardness and toughness properties.

Ocorre que, a elevação no grau de dureza de um metal também contribui no aumento da fragilidade deste material.It turns out that the increase in the hardness of a metal also contributes to increase the brittleness of this material.

Quando o anel de pistão 3, a camisa 1, a bronzina 16 ou qualWhen the piston ring 3, jacket 1, bearing 16 or whatever

quer outro membro deslizante 1, 3, 16 do motor são constituídos de um cerâmico de dureza excessivamente elevada, eles revelam baixa tenacidade, devido a elevada energia das ligações atômicas, pois sua estrutura atômica apresenta pouca capacidade de deformação (em termos de deformação 10 plástica ou elástica) às condições tribológicas mais severas que podem ocorrer, por exemplo, no contato da camisa 1 com o anel 3. Isto porque, um material duro e consequentemente com ligações fortes entre os átomos possui baixa ductibilidade.Whether the other sliding member 1, 3, 16 of the motor is made up of an excessively hard ceramic, they show low toughness due to the high energy of atomic bonds because their atomic structure has little deformation capacity (in terms of plastic deformation). or elastic) to the more severe tribological conditions that can occur, for example, in the contact of the jacket 1 with the ring 3. This is because a hard material and consequently with strong bonds between atoms has low ductibility.

Alguns problemas que podem vir a ocorrer quando o material cerâmico dos membros deslizantes 1, 3, 16 revela um grau de dureza excessivamente elevado são revelados nas figuras 2, 3, 4, 5 e 6 deste relatório.Some problems that may occur when the ceramic material of the sliding members 1, 3, 16 reveals an excessively high degree of hardness are shown in figures 2, 3, 4, 5 and 6 of this report.

Estas figuras revelam as seguintes falhas:These figures reveal the following flaws:

• Delaminação (Figura 2) - que consiste no desprendimento de um fragmento de substrato 6 e o estabelecimento de uma microcratera de• Delamination (Figure 2) - consisting of detaching a substrate fragment 6 and establishing a microcrater of

substrato 8 no local anteriormente ocupado pelo aludido fragmento.substrate 8 at the site previously occupied by the aforementioned fragment.

• Destacamento ou (Figura 3) - que consiste no desprendimento de todo o recobrimento superficial 5, deixando o substrato 4 inteiramente exposto e desprotegido.• Detachment or (Figure 3) - which consists in the detachment of all surface coating 5, leaving substrate 4 fully exposed and unprotected.

• Scuffing (Figura 4) - que consiste na soltura de pequenos fragmentos do recobrimento 7, que logo após o desprendimento se fundem à• Scuffing (Figure 4) - which consists of loosening small fragments of the covering 7, which soon after detachment fuse with the

superfície adjacente (saindo do anel 3 e se integrando à estrutura da camisaadjacent surface (exiting ring 3 and integrating with jacket structure

1, por exemplo).1, for example).

• Spalling (Figura 5) - Revela o desprendimento de um fragmento do recobrimento superficial externo 7 e o estabelecimento de uma micro• Spalling (Figure 5) - Reveals the detachment of a fragment from the outer surface cover 7 and the establishment of a micro

cratera de superfície 9.surface crater 9.

• Trincas superficiais (Figura 6) - A figura 6 revela uma micrografia superficial de uma face externa de um anel de pistão 3. Esta micrografia revela uma série de trincas superficiais 14 dispostas entre as duas microcrateras de superfície 9.• Surface Cracks (Figure 6) - Figure 6 shows a surface micrograph of an outer face of a piston ring 3. This micrograph reveals a series of surface cracks 14 disposed between the two surface microcraters 9.

Por outro lado, quando a superfície externa dos membros deslizantes 1, 3, 16 revela um alto grau de ductibilidade, o anel 3 e a face interna 5 da camisa 1 acabam se deformando excessivamente mediante as fortes pressões e temperaturas encontradas na câmara de combustão 15. Esta deformação excessiva pode diminuir consideravelmente a eficiência na vedação provida por estas peças. Ademais, o uso prolongado destas peças pode levar ao desprendimento de pequenas porções deste material, diminu10 indo ainda mais a vida útil destes membros deslizantes 1, 3, 16.On the other hand, when the outer surface of the sliding members 1, 3, 16 reveals a high degree of ductility, the ring 3 and the inner face 5 of the jacket 1 end up deforming excessively due to the strong pressures and temperatures found in the combustion chamber 15. This excessive deformation can considerably decrease the sealing efficiency provided by these parts. In addition, prolonged use of these parts may lead to the detachment of small portions of this material, further reducing the useful life of these sliding limbs 1, 3, 16.

Algumas técnicas anteriores já objetivaram criar um anel de pistão 3 dotado de um recobrimento superficial 5 que compreende um material capaz de atribuir maior longevidade ao anel 3.Some prior art has already aimed to create a piston ring 3 provided with a surface coating 5 comprising a material capable of imparting greater longevity to ring 3.

O documento W003070999, por exemplo, revela um anel de pis15 tão 3 constituído basicamente por um material à base de ferro e revestido por um revestimento superficial 5 depositado através do processo de PVD (physical vapour deposition). Este recobrimento superficial 5 é constituído substancialmente de nitreto de cromo (CrN) e revela uma espessura máxima de 70 pm.W003070999, for example, discloses a tread ring 3 consisting primarily of an iron-based material and coated with a surface coating 5 deposited by the process of physical vapor deposition (PVD). This surface coating 5 is substantially chromium nitride (CrN) and reveals a maximum thickness of 70 µm.

A compreensão do nitreto de cromo contribui bastante para a eUnderstanding chromium nitride contributes greatly to the

levação da dureza superficial do anel 3. Contudo, o elevado grau de dureza deste recobrimento superficial enrijecido 5 reduz a resiliência superficial deste metal, o que implica na diminuição da vida útil do anel 3.However, the high degree of hardness of this hardened surface coating 5 reduces the surface resilience of this metal, which means that the service life of the ring 3 is reduced.

Assim, faz-se necessário o desenvolvimento de membros deslizantes 1, 3, 16 dotados de um material que seja capaz de atribuir a estas peças: alta resistência ao desgaste; alta eficiência em termos de vedação; e uma elevada vida útil.Thus, the development of sliding members 1, 3, 16 having a material which is capable of attributing to these parts: high wear resistance; high sealing efficiency; and a long service life.

Obietivos da invençãoObjectives of the invention

A presente invenção tem por objetivo a concepção de um membro deslizante (camisa ou anel de pistão) de um motor a combustão interna, sendo este membro deslizante constituído de um material que seja capaz de Ihe atribuir alta resistência ao desgaste, alta eficiência em termos de vedação e uma vida útil prolongada.The present invention is directed to the design of a sliding member (sleeve or piston ring) of an internal combustion engine, which sliding member is made of a material which is capable of giving it high wear resistance, high efficiency in terms of sealing and extended service life.

Breve descrição da invençãoBrief Description of the Invention

Os objetivos da presente invenção são alcançados por um membro deslizante para um motor de combustão interna, que compreende 5 um substrato metálico revestido com um recobrimento superficial que é aplicado pelo processo físico de deposição de vapòr, sendo que este recobrimento superficial compreende uma pluralidade de subcamadas sobrepostas de expessura nanométrica, sendo que: pelo menos, uma destas subcamadas revela majoritariamente a ligação covalente em sua estrutura atômica; e,The objects of the present invention are achieved by a sliding member for an internal combustion engine comprising a surface coated metallic substrate which is applied by the physical vapor deposition process, which surface coating comprises a plurality of sublayers. overlap of nanometric thickness, with: at least one of these sublayers reveals mostly the covalent bond in its atomic structure; and,

pelo menos, uma destas camadas revela majoritariamente a ligação metálica em sua estrutura atômica; as subcamadas estando intercaladas, conforme descrito na figura 7: “11-12-11-12-11-12” onde a subcamada 11 representada pelo cromo metálico que tem predominantemente a ligação metálica e a subcamada 12 representada pelo nitreto de zirconio que tem predominanteat least one of these layers mostly reveals the metal bond in its atomic structure; the sublayers being interspersed as described in Figure 7: "11-12-11-12-11-12" where the sublayer 11 represented by the metallic chromium having predominantly the metal bond and the sublayer 12 represented by the predominantly zirconium nitride having

mente um ligação covalente.covalent bond.

Descrição resumida dos desenhosBrief Description of the Drawings

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:The present invention will hereinafter be described in more detail based on an exemplary embodiment shown in the drawings. The figures show:

Figura 1 - é uma vista em corte de uma camisa de pistão do esFigure 1 is a cross-sectional view of a piston sleeve of the

tado da técnica, evidenciando o pistão que é abrigado em seu interior e os anéis de pistão que circundam esta estrutura.of the technique, showing the piston that is housed inside and the piston rings that surround this structure.

Figura 1a - é uma representação ampliada, e em corte, da superfície radial externa de um anel de pistão.Figure 1a is an enlarged sectional representation of the outer radial surface of a piston ring.

Figura 1b - é uma vista ampliada de uma secção transversal doFigure 1b is an enlarged cross-sectional view of the

anel, evidenciando o recobrimento superficial depositado sobre o substrato.ring, showing the surface coating deposited on the substrate.

Figura 2 - é uma vista em corte ampliado de uma porção de um membro deslizante em uma situação de falha por delaminação do estado da técnica.Figure 2 is an enlarged cross-sectional view of a portion of a sliding member in a prior art delamination failure situation.

Figura 3 - é uma vista em corte ampliado de uma porção de umFigure 3 is an enlarged sectional view of a portion of a

membro deslizante em uma situação de falha por destacamento do estado da técnica. Figura 4 - é uma vista em corte ampliado de uma porção de um anel de pistão em contato com a face interna de uma camisa em uma situação de falha por scuffing do estado da técnica.sliding limb in a failure situation by detachment of the state of the art. Figure 4 is an enlarged sectional view of a portion of a piston ring in contact with the inner face of a liner in a prior art scuffing failure situation.

Figura 5 - é uma vista em corte ampliado de uma porção de um membro deslizante em uma situação de falha por spalling do estado da técnica.Figure 5 is an enlarged sectional view of a portion of a sliding member in a prior art spalling failure situation.

Figura 6 - é uma micrografia da face externa de um anel de pistão, revelando duas microcrateras provenientes do spalling e uma pluralidade de trincas superficiais compreendidas entre as duas microcrateras.Figure 6 is a micrograph of the outer face of a piston ring revealing two spalling microcraters and a plurality of surface cracks comprised between the two microcraters.

Figura 7 - compreende duas micrografias de um corte transverFigure 7 - comprises two micrographs of a cross section

sal de dois anéis de pistão representativos da presente invenção.salt of two piston rings representative of the present invention.

Figura 8 - é uma vista em corte de uma camisa de pistão, evidenciando o pistão que é abrigado em seu interior e os anéis de pistão que circundam esta estrutura.Figure 8 is a cross-sectional view of a piston liner showing the piston that is housed therein and the piston rings surrounding this structure.

Figura 8a - é uma representação ampliada, e em corte, da suFigure 8a - is an enlarged sectional representation of your

perfície radial externa de um anel de pistão de acordo com a tecnologia da presente invenção.outer radial surface of a piston ring according to the technology of the present invention.

Figura 8b - é uma vista ampliada de uma secção transversal do anel de pistão, evidenciando a estrutura metalográfica do recobrimento superficial depositado no membro deslizante objeto da presente invenção. Descricão detalhada das figurasFigure 8b is an enlarged cross-sectional view of the piston ring showing the metallographic structure of the surface coating deposited on the sliding member object of the present invention. Detailed Description of the Figures

A presente invenção consiste em um membro deslizante 1, 3, 16 (preferivelmente um anel de pistão 3) dotado de uma superfície externa que compreende um recobrimento superficial multicamadas 5. Este recobrimento superficial 5 compreende, por sua vez, uma pluralidade de subcamadas 11,The present invention consists of a sliding member 1, 3, 16 (preferably a piston ring 3) provided with an outer surface comprising a multilayer surface cover 5. This surface cover 5 in turn comprises a plurality of sublayers 11,

12 de expessura nanométrica (vide figura 7 e figura 8b), que são sobrepostas de maneira intercalada, sendo cada uma destas camadas constituídas de um dentre os seguintes materiais: um primeiro material dotado de um elevado grau de tenacidade (primeira subcamada 11) e um segundo material do30 tado de um elevado grau de dureza e conseqüente elevada resistência ao desgaste (segunda subcamada 12).12 of nanometer thickness (see Figure 7 and Figure 8b), which are interleaved overlapped, each layer consisting of one of the following materials: a first material having a high degree of toughness (first sublayer 11) and a second material with a high degree of hardness and consequently high wear resistance (second sublayer 12).

Como material dotado de alto grau de tenacidade (primeira subcamada 11), a presente invenção pode apresentar uma liga metálica majoritariamente constituída pelo elemento Cromo (Cr) ou o Zircônio (Zr) como também os elementos das coluna B da tabela periódica.As a material having a high degree of toughness (first sublayer 11), the present invention may have a metal alloy composed mainly of the element Chromium (Cr) or Zirconium (Zr) as well as the column B elements of the periodic table.

Como material dotado de alto grau de dureza (segunda subca5 mada 12), a presente invenção pode apresentar um material majoritariamente formado pela ligação covalente (os nitretos CrN e ZrN, por exemplo). Alternativamente, ao invés dos compostos CrN e ZrN, podem ser empregados na constituição da segunda subcamada 12 qualquer material cerâmico, ou qualquer outro material que revele ligações predominantemente covalentes.As a material of high hardness (second sublayer 12), the present invention may have a material mainly formed by covalent bonding (for example, CrN and ZrN nitrides). Alternatively, instead of the compounds CrN and ZrN, any second ceramic material, or any other material that reveals predominantly covalent bonds, may be employed in constituting the second sublayer 12.

Com o uso deste recobrimento 5 as subcamadas com predomiWith the use of this coating 5 the sublayers with predomi

nância de ligações metálicas também funcionam como um aliviador de tensões sendo que o recobrimento resultante apresenta uma redução nos valores de estresse interno ao redor de 50%, traduzindo-se em uma resistência muito maior ao fenômeno de “spalling”, no qual pequenas porções do reves15 timento são desplacadas devido à ocorrência de microtrincas devido ao acúmulo de tensões e à pouca ductilidade. Essa redução nos valores de estresse interno traz a reboque as vantagens de possibilitar um aumento na energia de adesão das camadas entre si e reduzir a espessura do recobrimento, possível uma vez que a redução do spalling é grande e assim conse20 gue-se garantir que, mesmo com uma espessura reduzida, haverá recobrimento durante toda a vida operacional do anel.The presence of metallic connections also acts as a stress reliever and the resulting coating has a reduction in internal stress values of around 50%, resulting in a much greater resistance to the spalling phenomenon, in which small portions of the coatings are bare due to the occurrence of microcracks due to stress build-up and poor ductility. This reduction in internal stress values brings the advantages of allowing an increase in the bonding energy of the layers to each other and reducing the thickness of the coating, which is possible since the reduction in spalling is large and thus it can be ensured that, Even at a reduced thickness, it will be coated over the entire operating life of the ring.

Deste modo, a presente invenção torna-se capaz de combinar em um único material as vantagens de cada uma das ligações atômicas presentes em cada uma de suas subcamadas 11, 12: A elevada tenacidade 25 (baixa fragilidade), , e a melhor aderência ao substrato das ligações metálicas junto com a baixa expansão térmica e elevada dureza das ligações covalentes.Thus, the present invention is able to combine in one material the advantages of each of the atomic bonds present in each of its sublayers 11, 12: High toughness 25 (low brittleness), and better adhesion to metal bond substrate together with low thermal expansion and high hardness of covalent bonds.

Ressalte-se neste ponto, que as subcamadas 11, 12 devem ser “majoritariamente” constituídas dos elementos supracitados. Isto porque, consoante às limitações nos processos metalúrgicos/industriais vigentes, é praticamente impossível a obtenção de uma liga metálica ou cerâmica absolutamente pura, constituída de um material desprovido de qualquer percentual de impureza. No processo de criação das subcamadas 11, 12, descrito a seguir, é comum - e aceitável - o surgimento de um pequeno percentual de compostos iônicos que compreendem átomos de carbono e oxigênio em cada uma das subcamadas 11, 12.It should be noted at this point that sub-layers 11, 12 must be “mostly” made up of the above elements. This is because, depending on the limitations in current metallurgical / industrial processes, it is practically impossible to obtain an absolutely pure metal or ceramic alloy made of a material devoid of any impurity percentage. In the process of creating the sublayers 11, 12, described below, it is common - and acceptable - to develop a small percentage of ionic compounds that comprise carbon and oxygen atoms in each of the sublayers 11, 12.

Adicionalmente, sabe-se que é possível acrescentar um percenAdditionally, it is known that it is possible to add a percen

tual de determinado elemento a um material base sem que este segundo material interfira significativamente nas propriedades físico-químicas do material base (seja a base um componente metálico ou cerâmico). Assim, para efeitos de objetividade semântica, entende-se que a palavra “majoritariamen10 te”, neste texto, tem o significado de: pelo menos, uma unidade a mais que a metade do todo (i.e. 50% + 1). A unidade, neste caso, sendo o átomo das ligações atômicas ou as moléculas das ligações covalentes.of a given element to a base material without this second material significantly interfering with the physicochemical properties of the base material (whether the base is a metallic or ceramic component). Thus, for the purposes of semantic objectivity, it is understood that the word "mostly" in this text has the meaning of: at least one unit more than half of the whole (i.e. 50% + 1). The unit in this case being the atom of atomic bonds or the molecules of covalent bonds.

Diversos são os processos que poderiam ser utilizados na concretização desta multiplicidade de subcamadas 11, 12 intercaladas. O processo mais adequado à formação destas subcamadas é a deposição física de vapor, denominada como PVD.There are several processes that could be used to realize this multiplicity of interspersed sublayers 11, 12. The most suitable process for the formation of these sublayers is the physical vapor deposition, called PVD.

O processo de deposição “PVD” envolve processos puramente físicos, tais como temperatura elevada, evaporação a vácuo ou bombardeamento por plasma. Adicionalmente, pode-se adicionar um gás, como por e20 xemplo o Nitrogênio (N2), de maneira que esse combine com o material metálico que está sendo depositado e forme nitretos, que é o caso específico da presente invenção e quando o fluxo de gás é interrompido ocorre a deposição do elemento metálico onde as ligações metálicas predominam. Entre os processos utilizados para evaporar o material metálico da fonte (catodo25 alvo) um dos mais conhecidos é o arco catódico, onde um arco elétrico de alta potência é dirigido à fonte de material, evaporando-o e gerando íons que são depositados na peça. Em presença de gases como 0 Nitrogênio, o nitreto do material metálico é depositado na peça. Na ausência do gás, apenas 0 elemento metálico é depositado.The PVD deposition process involves purely physical processes such as elevated temperature, vacuum evaporation or plasma bombardment. In addition, a gas such as Nitrogen (N2) may be added such that it matches the metallic material being deposited and forms nitrides, which is the specific case of the present invention and when the gas flow the metallic element deposition occurs where the metallic bonds predominate. Among the processes used to evaporate the source metal material (target cathode 25) one of the best known is the cathode arc, where a high power electric arc is directed to the material source, evaporating it and generating ions that are deposited on the part. In the presence of gases such as Nitrogen, the metal material nitride is deposited on the part. In the absence of gas, only the metal element is deposited.

Diversos testes realizados em anéis de pistão 3 comprovaram aSeveral tests performed on piston rings 3 have proven the

eficiência da presente invenção em termos de durabilidade e resiliencia destas peças. Dentre os resultados obtidos nestes testes, foi possível detectar, por exemplo:efficiency of the present invention in terms of durability and resilience of these parts. Among the results obtained in these tests, it was possible to detect, for example:

• A baixa ocorrência de delaminação, ou seja, uma boa aderência entre o recobrimento superficial 5 e o substrato 4;• The low occurrence of delamination, ie, a good adhesion between surface coating 5 and substrate 4;

· Uma elevação na capacidade de absorção de stress e tensões· An increase in the ability to absorb stress and tension.

externas de cisalhamento;external shear;

• A redução no aparecimento de trincas superficiais 14;• The reduction in the appearance of superficial cracks 14;

• Uma boa relação entre a tenacidade e a dureza do recobrimento superficial 5;• A good relationship between surface coating toughness and hardness 5;

· Uma redução no coeficiente de atrito entre a camisa 1 e os a· A reduction in the coefficient of friction between jacket 1 and

néis de pistão 3;piston rings 3;

• Uma diminuição do stress residual proveniente das etapas de fabricação dos membros deslizantes 1, 3, 16; e• A decrease in residual stress from sliding limb manufacturing steps 1, 3, 16; and

• Uma alta resistência térmica.• A high thermal resistance.

A seguir, será brevemente descrito um teste laboratorial envolIn the following, a brief laboratory test will be briefly described.

vendo alguns anéis de pistão 3 que foram desenvolvidos conforme os ensinamentos da presente invenção.seeing some piston rings 3 which have been developed in accordance with the teachings of the present invention.

O referido teste laboratorial constitui um “teste tribológico”, que pode ser sumariamente explicado do seguinte modo: Seis amostras de anéis 20 de pistão 3 (dois deles sendo anéis do estado da técnica - i.e. o grupo controle) foram submetidas a um simulador de uso de anéis de pistão. O simulador reproduz um movimento reciprocativo em um ambiente submergido em óleo, a uma pressão normal de 360 N em relação à superfície radial externa destas peças. Dito movimento reciprocativo teve um curso de 10 mm e uma 25 frequência de 900 rpm.This laboratory test is a “tribological test”, which can be summarized as follows: Six samples of piston rings 20 3 (two of them being state of the art rings - ie the control group) were subjected to a simulator for use. of piston rings. The simulator reproduces reciprocating motion in an oil-submerged environment at a normal pressure of 360 N relative to the outer radial surface of these parts. Said reciprocative movement had a stroke of 10 mm and a frequency of 900 rpm.

Os seis anéis de pistão 3 foram analisados periodicamente em intervalos regulares de tempo ao decorrer da aplicação do teste tribológico. A cada intervalo cada um dos seis anéis 3 foi analisado em um microscópio.The six piston rings 3 were periodically analyzed at regular time intervals during the application of the tribological test. At each interval each of the six rings 3 was analyzed under a microscope.

Os anéis 3 também foram analisados quanto ao grau de dureza e à espessura do recobrimento superficial 5 previmente à submissão às condições tribológicas do teste.Rings 3 were also analyzed for hardness and surface coating thickness 5 to prevent submission to the tribological conditions of the test.

Os resultados obtidos com este experimento encontram-se revelados na tabela a seguir:The results obtained with this experiment are shown in the following table:

Amos¬ Tipo de Espessu¬ Dureza Carga Percep¬ Tensão tra reco¬ ra da re¬ Crítica ção visu¬ residual brimen¬ cobri¬ al de to mento ** desgaste 1* CrN 30 μιτι 1350 HV 100 N 5 pm 1100 2* CrN 25 μιτι 1250 HV 115 N 6 μιτι 1050 3 ZrN/Cr 30 μηι 1540 HV 140 N 4 μιη 450 4 ZrN/Cr 29 μιτι 1750 HV 180 N 3 μιτι 500 5 CrN/Zr 27 μιτι 1300 HV 160 N 4 μιτι 380 6 CrN/Zr 29 μιτι 1450 HV 180 N 3 μιη 400 * estado da técnica / controle;Sample Type of Thickness Hardness Load Perception Backward Stress Re-Criticism Residual Vision Crimal Coverage ** Wear 1 * CrN 30 μιτι 1350 HV 100 N 5 pm 1100 2 * CrN 25 μιτι 1250 HV 115 N 6 μιτι 1050 3 ZrN / Cr 30 μηι 1540 HV 140 N 4 μιη 450 4 ZrN / Cr 29 μιτι 1750 HV 180 N 3 μιτι 500 5 CrN / Zr 27 μιτι 1300 HV 160 N 4 μιτι 380 6 CrN / Zr 29 μιτι 1450 HV 180 N 3 μιη 400 * state of the art / control;

** espessura mensurada através de difração de Raios X;** thickness measured by X-ray diffraction;

*** carga limite que o anel de pistão consegue suportar antes de revelar a primeira falha.*** limit load that the piston ring can withstand before revealing the first fault.

Através dos resultados obtidos com o teste tribológico suprarreferido é possível constatar que os anéis de pistão ZrN/Cr e ÇrN/Zr da presente invenção revelaram menor desgaste, maior dureza e maior resiliência que os anéis do estado da técnica (anéis 1 e 2).From the results obtained with the above-mentioned tribological test it can be seen that the piston rings ZrN / Cr and ÇrN / Zr of the present invention revealed less wear, greater hardness and greater resilience than the prior art rings (rings 1 and 2).

Não obstante as vantagens elencadas acima, a presente invenNotwithstanding the advantages listed above, the present invention

ção pode agregar valor ainda maior aos anéis de pistão 3 em sua seguinte configuração alternativa: a presente invenção também pode compreender um recobrimento intermediário 13 disposta entre o recobrimento superficial 5 e o substrato 4. Tal recobrimento intermediário 13 tem espessura nanométrimay add even greater value to piston rings 3 in its following alternative configuration: the present invention may also comprise an intermediate coating 13 disposed between the surface coating 5 and the substrate 4. Such intermediate coating 13 is nanometer thick.

ca, é constituída preferivelmente de cromo, níquel ou cobalto, e sua função principal é aumentar o grau de adesão entre a camada superficial 5 e o substrato 4, evitando falhas como destacamento do recobrimento superficial enrijecida 5.It is preferably composed of chromium, nickel or cobalt, and its main function is to increase the degree of adhesion between the surface layer 5 and the substrate 4, avoiding failures such as detachment of the hardened surface coating 5.

O escopo de proteção da presente invenção deve ser limitado apenas pelo teor das reivindicações independentes de seu quadro reivindicatório, mas para facilitar a sua execução/realização, são apresentados, a seguir, alguns parâmetros que devem ser preferencialmente seguidos tendo em vista a obtenção dos resultados e vantagens revelados neste relatório. Parâmetros limítrofes à concretização da configuração preferencial da pre¬ sente invenção. Espessura do recobrimento superficial 5. Entre 10 e 60 pm. A espessura de duas subcamadas 11,12 adjacen¬ Entre 50 nm e 1 pm. tes (espessura da periodicidade). Percentual em massa dos elementos Carbono e/ou Até 10% Oxigênio no recobrimento superficial 5. Percentual em massa do elemento Cromo no subs¬ Entre 10 e 17% trato (quando os materiais que constituem as sub¬ camadas 11,12 forem ZrN/Cr). Grau de dureza do recobrimento superficial. Entre 800 e 1800 HV Note-se que, apesar do foco da presente invenção ser mais volThe scope of protection of the present invention should be limited only by the content of the claims independent of its claiming frame, but to facilitate its execution, the following are some parameters which should preferably be followed in order to obtain the results. and advantages revealed in this report. Parameters bordering the embodiment of the preferred embodiment of the present invention. Surface coating thickness 5. Between 10 and 60 pm. The thickness of two adjacent sublayers 11.12 Between 50 nm and 1 pm. (periodicity thickness). Percentage by mass of elements Carbon and / or Up to 10% Oxygen in the surface coating 5. Percentage by mass of the element Chromium in the subs¬ Between 10 and 17% tract (when the sub-layer materials 11,12 are ZrN / Cr ). Degree of hardness of surface coating. Between 800 and 1800 HV Note that although the focus of the present invention is more voluminous

tado à estrutura metalográfica de um anel de pistão 3, os conceitos tecnológicos aqui desenvolvidos e argumentados podem ser facilmente reproduzidos em outros membros deslizantes 1, 3, 16 de um motor a combustão interna. Entre estes membros deslizantes 1, 3, 16, podemos citar: a bronzinaConcerning the metallographic structure of a piston ring 3, the technological concepts developed and argued here can easily be reproduced on other sliding members 1, 3, 16 of an internal combustion engine. Among these sliding limbs 1, 3, 16 we can mention: the bearing

16 (disposta na base da biela) e a camisa 1.16 (arranged at the base of the connecting rod) and the jacket 1.

Por fim, cumpre notar que a presente invenção alcança todos os objetivos que se propõe alcançar, revelando um membro deslizante 1, 3 de um motor a combustão interna, constituído em um material que é capaz de Ihe atribuir alta resistência ao desgaste, alta eficiência em termos de vedação e uma longa expectativa de vida útil.Finally, it should be noted that the present invention achieves all its intended objectives by disclosing a sliding member 1, 3 of an internal combustion engine consisting of a material which is capable of giving it high wear resistance, high efficiency in sealing terms and a long life expectancy.

Claims

1. Sliding member (1, 3) for an internal combustion engine comprising a metal substrate (4) coated with a surface coating (5) which is deposited by a physical vapor deposition process, characterized in that, This surface coating (5) comprises a plurality of overlapping sublayers (11, 12) of nanometer thickness, wherein: at least one of these sublayers (11,12) mostly reveals the covalent bond in its atomic structure; and at least one of these layers mostly reveals the metal bond in its atomic structure; the sublayers (11, 12) being interspersed.

Sliding member (1, 3) according to Claim 1, characterized in that the first sublayer (11) consists of a metal alloy composed mainly of the Zirconium element (Zr) and the second sublayer (12) is made of mostly chromium nitride (CrN).

Sliding member (1, 3) according to Claim 1, characterized in that the first sublayer (11) consists of a metal alloy composed mainly of the Chromium element (Cr) and the second sublayer (12) is made up. mostly by Zirconium Nitride (ZrN).

Sliding member according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the plurality of layers contain an additional chemical element selected from the group consisting of Oxygen, boron or carbon in a percentage not exceeding 5% by mass. .

Sliding member (1, 3) according to Claim 1, characterized in that its mainly constituted covalent bond layers define a ceramic material.

Sliding member (1, 3) according to claim 1, characterized in that the surface coating (5) reveals a thickness between 10 and 60 pm.

Sliding member (1, 3) according to claim 1, characterized in that the periodicity of overlapping layers reveals a thickness of 50 nm and 1 pm.

Sliding member (1, 3) according to Claim 1, characterized in that the surface coating (5) comprises the elements Carbon and / or Oxygen in a mass percentage of up to 10%.

Sliding member (1, 3) according to claim 1, characterized in that at the hardness of the surface coating (5) is between 800 and 1800 HV.

Sliding member (1, 3) according to claim 1, characterized in that the metal substrate is composed of a steel alloy comprising from 10 to 17% by weight of the chromium element.

Sliding member (1, 3) according to claim 1, characterized in that it is subjected to a nitriding process.

Sliding member (1, 3) according to claim 1, characterized in that the metal substrate is made of cast iron.

Sliding member (1, 3) according to Claim 1, characterized in that between the substrate (4) and the surface coating (5) there is an intermediate coating (13) consisting of chromium, nickel or cobalt.